陶瓷/金属连接界面残余应力缓解策略研究

随着服役环境恶劣化和加工制造复杂难度增加,对陶瓷/金属异质结构综合性能提出了更高的要求。目前钎焊技术被广泛应用于陶瓷与金属异质材料连接,而二者焊接接头残余应力缓解难题非常棘手。残余应力对陶瓷/金属连接性能有极大影响,其大小受多种因素影响,因此系统概述陶瓷与金属焊接残余应力状态与分布规律,从工艺参数优化、施加中间层、复合钎料和表面结构设计4种缓解途径进行系统评述,最后展望了未来陶瓷/金属异质结构残余应力研究面临的机遇和挑战。     

氧化铝陶瓷与金属活性钎焊研究进展

氧化铝陶瓷是应用最为广泛的陶瓷材料之一,但是陶瓷材料固有的硬性和脆性使其难以加工与制造,需要与金属连接起来,实现与金属性能上的互补,以期获得兼具陶瓷和金属各自优异性能的陶瓷一金属复合构件.对氧化铝陶瓷与金属的活性钎焊方法作了综述,着重讨论了活性钎焊技术的发展、常用的活性钎料;在活性钎焊机理方面,分析了陶瓷/金属润湿性的有关理论、界面反应及其对活性钎焊接头质量的影响.可以看到,活性钎焊已经成功实现了氧化铝陶瓷与铁、铜、镍、钛、铌及合金等多种金属的高质量连接,成为连接氧化铝陶瓷与金属的主导方法之一.     

陶瓷/金属的钎焊

根据陶瓷与金属连接材料的广阔应用前景，介绍了陶瓷与金属钎焊的几种主要方法，探讨了陶瓷与金属钎焊中的难点，陶瓷与金属钎焊的润湿问题，分析了解决陶瓷与金属物性不匹配问题。     

陶瓷与金属钎焊连接的研究进展

陶瓷与金属的理化性质差异较大,实现二者的连接面临陶瓷润湿性差和接头中存在残余应力的问题.本文对陶瓷与金属钎焊连接的研究进展进行了论述,重点总结了实现二者连接的活性钎焊法和缓解残余应力的复合钎料法、中间层法及陶瓷表面加工改性等方法,并对陶瓷与金属钎焊连接的发展趋势进行了展望.     

陶瓷/金属异质钎焊连接研究进展

钎焊作为制造业中材料连接较广泛的方法之一,在医疗、电力电子和汽车等领域应用广泛,各国学术界认为钎焊是陶瓷/金属异质连接中最有效、最具有发展潜力的连接方式。本文主要对近20年各国有关陶瓷/金属钎焊异质连接的研究报道进行详细综述。首先综述了陶瓷/金属钎焊的研究概况,其次分别从氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、陶瓷基复合材料4种陶瓷材料方面以及活性金属钎焊、空气反应钎焊、接触反应钎焊、玻璃钎焊和超声波辅助钎焊5种钎焊方法详细评述陶瓷/金属异质钎焊的研究进展。然后介绍了陶瓷/金属异质钎焊在医疗、电力电子和汽车领域的应用,最后指出陶瓷/金属异质钎焊技术研究和发展过程中存在的不足,并展望陶瓷/金属异质钎焊技术未来发展的方向,为陶瓷/金属异质材料连接的相关研究和工程应用提供理论依据和技术支撑。     

双层陶瓷复合材料与金属在空气中的钎焊

为寻求陶瓷与金属连接的新途径,研制了一种可焊接双层陶瓷复合材料,然后将双层陶瓷复合材料与金属在空气中进行钎焊。采用声学显微镜对双层陶瓷复合材料进行了分析测试。并用抗剪试验评价了接头的连接强度。结果表明,接头抗剪强度平均为80MPa。     

陶瓷与金属的连接

陶瓷／金属连接技术近年来得到迅速发展,开发连接技术有许多难题要克服。陶瓷与金属界面如何形成化学结合是最关键的问题之一,活性金属钎焊法可用于解决这一问题并能获得高质量接头。构造合适的中间层以减少陶瓷／金属热膨胀不匹配造成的热应力是另一个关键总是 金属中间层和软金属／低膨胀硬金属复合中间层是两种有效的中间层。     

陶瓷/AgCuTi/不锈钢钎焊连接界面组织与结构

采用Ag-Cu-Ti钎料对日用陶瓷与1Cr18Ni9Ti不锈钢进行了钎焊连接.用扫描电镜、能谱仪以及X射线衍射仪对接头的微观组织形貌、特征点的成分以及钎焊接头的物相等进行了分析研究.结果表明,接头界面处形成了多种化合物,包括TiO,TiSi_2,Ti_5Si_3和Fe_2Ti.当温度为850℃,保温时间为5 min时,接头界面结构为1Cr18Ni9Ti不锈钢/Fe_2Ti/Ag[s,s]+Cu[s,s]+Fe_2TiO+Ti_5Si_3+TiSi_2/陶瓷.当钎焊温度较高或保温时间较长时,界面反应层厚度增加,界面中基体相Ag[s,s],Cu[s,s]所占比例显著减小.

Abstract：

Domestic ceramics and lCrl8Ni9Ti stainless steel were brazed using Ag-Cu-Ti filler metal. Microstructure, the component of characteristic points and the phases of brazing joints were studied by scanning electronic microscopy ( SEM) , energy distribution spectrometer (EDS) and x-ray diffraction (XRD). The results show that several kinds of intermetallics such as TiO_2, TiO, TiSi_2 , Ti_5 Si_3 and Fe_2 Ti were formed. The interfacial structure of joints is 1Cr18Ni9Ti stainless steel/Fez Ti/Ag[ s, s] + Cu[s,s] + Fe_2Ti/TiO_2 + TiO + Ti_5Si_3 + TiSi_2/ceramics when brazing temperature and time are 850 ℃ and 5min, respectively. The depth of interfacial reactive layer increases and the ratio of matrix phase Ag [ s, s ], Cu [ s, s ] which are in the middle of interface reduces evidently as brazing temperature is very high or holding time is very long.     

陶瓷-金属钎焊接头残余应力的数值分析

采用热弹塑性有限元方法，在考虑了材料性能参数随温度变化和界面反应层的情况下，计算了陶瓷／金属钎焊接头残余应力的大小和分布。通过计算发现：陶瓷／金属接头在冷却过程中产生的径向应力和剪应力对接头的影响较小。而在陶瓷表面的边缘接近焊缝的位置产生了最大的轴向拉应力，它影响接头的载荷承受能力，并且由于40Cr的屈服强度比45钢的高，计算出的Si3N4／40Cr接头的应力峰值比Si3N4／45钢的高。陶瓷／钎料和陶瓷／金属的界面反应层虽然薄，但它也是影响陶瓷／金属接头残余应力大小和分布的一个重要因素。另外，选择合适的钎料层、中问层和钎焊压力都可以有效地减小残余应力的峰值。     

复合陶瓷挺柱的钎焊质量控制

复合陶瓷挺柱由于其优越的耐磨与减磨性能而成为取代现有金属合挺柱的最佳材料，尤其是在使用条件苛刻的发动机中，钎焊质量是影响复合陶瓷挺柱使用性能的关键因素之一，因此如何保证与控制钎焊质量是复合陶瓷挺柱进入实际应用的前提。而影响插柱而使用性能并与钎焊相关的是钎经和钎焊引起的变形。本文从控制复合陶瓷挺柱的钎焊质量出发，试验研究了影响钎焊着率和焊后变形的各种因素和规律，得到了有实际意义的结论。     

Thermal residual stresses and stress distributions under tensile and compressive loadings of short fiber reinforced metal matrix composites

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＤｕｅｔｏｌａｒｇｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｉｎｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎｃｏ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｆｉｂｅｒａｎｄｔｈｅｍａｔｒｉｘａｎｄｓｐｅｃｉａｌｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｓｈａｐｅｏｆｔｈｅｆｉｂｅｒ ,ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｅｓ (ＴＲＳ) ｇｅｎｅｒａｔｅｄｄｕｒｉｎｇｃｏｏｌｉｎｇｆｒｏｍｈｉｇｈ(ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ)ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｏｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｈａｖｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅ…     

SiO2f/SiO2复合材料与金属铌环形钎焊接头的残余应力数值模拟

对陶瓷基复合材料SiO_2f/SiO₂与金属铌环形钎焊接头的残余应力进行了有限元数值模拟.结果表明,接头存在较大的径向拉应力σ_y和周向界面剪切应力τ_yx,其峰值分别为1 047 MPa和329 MPa.靠近焊缝的SiO_2f/SiO₂中存在应力集中,因而在焊后冷却过程容易首先破坏.在SiO_2f/SiO₂连接面表层加工沟槽可有效缓解残余应力,σ_y和τ_yx峰值分别降低到731 MPa和230 MPa.与不开槽钎焊比较,在靠近焊缝界面的SiO_2f/SiO₂侧表层,开槽钎焊使σ_y从200 MPa降至81 MPa、τ_yx从230 MPa降至53 MPa.陶瓷被焊表面开槽之后再钎焊填入钎料所引起的应力缓解,对于避免开裂、提高接头强度及可靠性十分有利.     

玻璃与金属真空钎焊接头残余应力影响参数分析

玻璃和金属焊接接头由于设计不合理,将致使接头存在较大的焊接残余应力,会严重削弱接头强度.应用顺次耦合有限元热应力计算方法,对平板玻璃和金属在真空条件下的钎焊过程进行了数值模拟,分析了玻璃、金属、钎料厚度、钎焊压力和钎焊温度等因素对应力集中区域残余应力的影响,并观察了焊接接头拉伸断裂后的形貌特征.结果表明,金属厚度增加会增大残余应力,并且其对残余应力影响最显著;钎焊压力和钎焊温度的增加可以降低残余应力;玻璃和钎料厚度对残余应力的影响不大;焊接接头的拉伸断裂区域位于玻璃和金属焊接接头界面贴近玻璃一侧.     

Effects of particle size on residual stresses of metal matrix composites

A finite element analysis was carried out on the development of residual stresses during the cooling process from the fabrication temperature in the SiCp reinforced AI matrix composites. In the simulation, the two-dimensional and random distribution multi-particle unit cell model and plane strain conditions were used. By incorporating the Taylor-based nonlocal plasticity theory, the effect of particle size on the nature, magnitude and distribution of residual stresses of the composites was studied. The magnitude thermal-stress-induced plastic deformation during cooling was also calculated. The results show similarities in the patterns of thermal residual stress and strain distributions for all ranges of particle size. However, they show differences in magnitude of thermal residual stress as a result of strain gradient effect. The average thermal residual stress increases with decreasing particle size, and the residual plastic strain decreases with decreasing particle size.     

板翅结构钎焊残余应力与热变形的有限元分析

对微小尺寸的镍基钎焊不锈钢板翅结构在真空钎焊过程中产生的残余应力分布与热变形状况进行研究分析.采用有限元方法对三层结构的钎焊过程进行了热-力分析,分析考虑真空钎焊的加热特点同时考虑板翅材料和镍基钎料与温度相关的材料特性,得到了钎焊过程中结构的温度变化规律以及钎焊后的残余应力分布和热变形特征.结果表明,隔板与翅片具有不同的热变形特征,板翅钎焊接头钎角处应力状况复杂,易萌生裂纹导致板翅结构的失效,需要选择合适的钎焊时间以得到较好的钎焊接头.     

Effect of fiber distribution on residual thermal stress in titanium matrix composite

Residual thermal stresses (RTS) of SCS-6 SiC/Ti-24Al-11Nb composite were analyzed by using finite element method (FEM). Three models of fiber array in the composite and the effect of fiber distance on the RTS were discussed. In all the three models compressive stress was found in the radial direction and tensile stress in the tangential direction. It is pointed out that, in real composite system, hexagonal fiber geometry is superior because the distribution and the magnitude of the residual stress are similar to those in single fiber model. In square fiber geometry, it is easier to make the matrix crack due to the larger residual tangential stress. RTS becomes very large and changes violently when the fiber distance is less than 15μm or so, therefore too high fiber volume is apt to result in matrix crack.     

颗粒对铝基复合材料热残余应力的影响

采用有限元方法对SiCp/Al复合材料制备冷却后的热残余应力进行了数值模拟,建立平面应力单颗粒及多颗粒复合材料几何模型,研究了颗粒形貌及体积分数对复合材料热残余应力的影响。结果表明,复合材料中颗粒和基体的界面附近存在较大的热残余应力,球形颗粒模型热残余应力比方形颗粒模型热残余应力小,多颗粒模型中应力分布较复杂,复合材料热残余应力随颗粒体积分数增加而增大。     

金属基复合材料界面性能对残余应力的影响

采用ANSYS有限元软件计算涂层法制备的SCS-6 SiC/Ti-6Al-4V复合材料内热残余应力,分析了界面性能对热残余应力的影响。结果表明:较高的热膨胀系数(CTE)导致界面层产生高的应力梯度,使环向残余应力由低热膨胀系数时的压应力转变为较高的热膨胀系数时的拉应力;界面层弹性模量的增加,使得纤维和界面层内径向残余压应力明显增加,但对基体中的残余应力影响并不大;界面层厚度的变化对基体中径向残余应力影响不大,但随着界面层厚度增加,基体中残余应力有所减小。     

不锈钢板翅结构钎焊残余应力对蠕变的影响

利用有限元法,对微小尺寸的镍基钎焊不锈钢板翅结构进行600 ℃下的蠕变有限元分析,讨论钎焊残余应力对蠕变变形的影响.结果表明,由于镍基钎料BNi-2和不锈钢母材SS304力学性能的差异以及钎焊夹具的约束作用,钎焊后在接头处产生了较大的残余应力,对不锈钢板翅结构高温下的蠕变行为产生很大影响,在强度设计中不能忽略.初始应力和蠕变应变的分布规律具有一致性.隔板和翅片具有不同的应力应变分布特征,隔板侧的蠕变开裂的倾向比翅片大.钎角处蠕变应力和应变集中,易萌生蠕变裂纹.研究结果为不锈钢板翅结构钎焊接头的高温强度设计提供参考.